直流无刷伺服电机运动控制系统设计
时间：2011-12-31 10:13:56
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[导读] Motionchip是一种性能优异的专用运动控制芯片，扩展容易，使用方便。本文基于该芯片设计了一款可用于直流有刷/无刷伺服电机的智能伺服驱动器，并将该驱动器运用到加氢反应器超声检测成像系统中，上位机通过485总线
Motionchip是一种性能优异的专用运动控制芯片，扩展容易，使用方便。本文基于该芯片设计了一款可用于直流有刷/无刷伺服电机的智能伺服驱动器，并将该驱动器运用到加氢反应器超声检测成像系统中，上位机通过485总线分别控制直流有刷电机和无刷电机，取得了很好的控制效果，满足了该系统的高精度要求。
在传统的电机伺服控制装置中，一般采用一个或多个单片机作为伺服控制的核心处理器。由于这种伺服控制器外围电路复杂，计算速度慢，从而导致控制效果不理想。近年来，许多新的电机控制算法被研究并运用于电机控制系统中，如矢量控制、直接转矩控制等。随着这些控制算法的日益复杂，必须具备高速运算能力的处理器才能实现实时计算和控制。为了适应这种需要，国外许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器（DSP）。现在，通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大规模可编程逻辑器件组成，这种方案可以根据不同需要，灵活的设计出性能很好的专用伺服控制器，但是一般研制周期都比较长。
MotionChip的特点
MotionChip是瑞士Technosoft公司开发的一种高性能且易于使用的电机运动控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外围设置了许多电机伺服控制专用的可编程配置管脚。TMS320C240是美国TI公司推出的电机控制专用16位定点数字信号处理器，其具有高速的运算能力和专为电机控制设计的外围接口电路。MotionChip很好的利用了该DSP的优点，并集成多种电机控制算法于一身，以简化用户设计难度为目的，设计成为一种新颖的电机专用控制芯片。MotionChip有着集成全部必要的配置功能在一块芯片的优点，它是一种为各种电机类型进行快速和低投入设计全数字、智能驱动器的理想核心处理器。具有如下特点：
·可用于控制5种电机类型：直流有刷/无刷电机、交流永磁同步电机、交流感应电机和步进电机，且易于嵌入到用户的硬件结构中；
·可以选择独立或主从方式工作，并可根据需要，设置成通过网络接口进行多伺服控制器协同工作；
·全数字控制环的实现，包括电流/转矩控制环、速度控制环、位置控制环；
·可实现各种命令结构：开环、转矩、速度、位置或外环控制，步进电机的微步进控制，并可实现控制结构的配置，其中包括交流矢量控制；
·可以配置使用各种运动和保护传感器（位置、速度、电流、转矩、电压、温度等）；
·使用各种通讯接口，可以实现RS232/RS485通讯、CAN总线通讯；
·基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平台，强大功能的IPM Motion Studio 高级图形编程调试软件：可通过RS232快速设置，调整各参数与编程运动控制程序。其功能强大的运动语言包括：34种运动模式、判决、函数调用，事件驱动运动控制、中断。因此便于开发和使用。
·可以通过动态链接库TMLlib,利用VC/VB实现PC机控制；也可以与Labview和PLC无缝连接，通过动态链接库，用户可以在上层开发电机的控制程序，研究控制策略。
运动控制系统设计
本文是以MotionChip为控制器核心，直流无刷电机/有刷电机/永磁同步电机为控制对象进行伺服驱动器设计。设计指标为：适应12—36V宽范围直流母线电压输入，工业标准5V逻辑电源输入，最大输出电流3A，峰值电流6A。在进行伺服控制器设计之前，根据MotionChip的特点和伺服电机的特性进行总体功能设计如下：
·采用位置环、速度环、电流环的三环结构；三环都采用PID调节器；电机参数设置采用计算机辅助计算和工程整定相结合的办法；
·具有通用伺服控制器接口，并可利用提供的人机接口进行独立参数设置，有网络通讯接口进行独立参数设置，有网络通讯接口方便外部监视和控制。
伺服系统的总体系统结构可以分为：MotionChip最小系统、驱动电路、电流反馈检测、外部控制接口、通讯接口等，如图1所示。伺服驱动器的硬件结构分为2个主要部分：驱动电路部分：主要包括逆变桥、前置驱动、电流检测；
控制电路部分：包括反馈检测、外部控制接口、通讯接口、MotionChip最小系统。
控制系统设计
在MotionChip的基本系统中，选用美国 Xicor公司的SPI串行EEPROM：X25650来存储TML运动指令。该EEPROM的存储容量为8K×8bit，最大时钟频率可达5MHz。由于在MotionChip正常运行时指令访问时间21ns，所以为了使程序高速有效的运行，增加了2片32可×8bit的静态RAM：ASC256-12JC，该SRAM的存取时间为12ns，所以MotionChip对该芯片的存取时间为12ns，所以MotionChip对该芯片的存取数据时不需要插入等待状态。并且该SRAM具有较低的活跃功耗，在待机状态时可自动进入更加低功耗的节能状态。MotionChip芯片本身提供了电机控制专用的接口，包括6路PWM信号，在使用中可以配置作为三相电机逆变桥的驱动信号。当保护中断PDPINT有效或电机使能信号ENABLE无效时，6路PWM信号立即进入高阻状态，使逆变桥全部截至，电机停转。另外，MotionChip为每个PWM输出对提供了可编程死区时间设置（0—102μs），所以不需要外部的死区逻辑电路。码盘反馈信号接口有ENCA，ENCB，ENCZ，其中ENCA和ENCB是相位差90°的脉冲信号，ENCZ是码盘清零信号。MotionChip可以对ENCZ和ENCB信号进行四倍频和辨向，然后送入增量计数器计数产生电机的位置信号，码盘清零信号ENCZ可对计数误差进行修正。电机霍尔反馈信号HALL1，HALL2，HALL3，是为直流无刷电机/永磁同步电机进行定位磁极设计的。其它重要引脚如DIR、PULSE直接作为电机脉冲指令的输入接口。LSP，LSN可用来扩展作为运动系统左、右限位事件的捕捉输入。MotionChip有2个10位的A/D转换器，每个都内建了采样保持电路，最快采样速率可达10kHz。模拟信号的输入范围通过MotionChip参考电平输入管脚VREFLO和VREFHI确定。MotionChip可以工作在独立运行和检测引脚AUTORUN进行方式选择的，该引脚接高电平，MotionChip工作在从属方式，接低电平工作在独立运行方式。在独立方式的工作条件下，MotionChip上电后，选检测到AUTORUN的低电平，进入独立运行方式；然后自动从SPI串行EEPROM中的开始执行TML程序。
驱动系统设计
电机的驱动主要包括2个环节：电机PWM驱动电路和电流检测。
电机的PWM驱动电路如图2所示。本电路中，无刷直流电机采用全桥驱动，这样可以使用电机工作于四象限（正向驱动、制动及反向驱动、制动）。驱动一个无刷直流电机需要6路PWM信号，而MotionChip的每个事件管理模块（EV）中3个带可编程死区控制的比较单元可以产生独立的3对共6路PWM信号。所以在电路中，直接选用事件管理模块B（EVB）中的比较单元来产生6路所需要的PWM信号，其输出引脚为PWM7~PWM12，其中PWM7~PWM9输出设为驱动MOSFET功率管桥路的上半桥，PWM10~PWM12输出驱动下半桥。DSP输出的这两种3路PWM信号经过IR2102前置放大后分别驱动MOSFET功率管桥路的上半桥（Q1，Q3，Q5）和下半桥（Q2，Q4，Q6）进行电机的驱动。
电流检测
电机电流检测电路可提供重要的反馈信息，将该信息与来自主控DSP的控制信号相结合，可以控制MOSFET或IGBT的栅极驱动芯片并最终调整电机速度。如果要实现过流保护，还必需进行电流监控，不过对于低端应用而言，传统的过流保护却显得过于昂贵。电流采样的方案是在逆变桥的下桥臂串一0.027Ω采样电阻如图3（a），采样电流范围为0~6.22A，采样后的电压放大倍数为14.63倍，放大电路如图3（b），并经2.5V电压抬升输入DSP，所以输入DSP的电流模拟电压量为：
UAD=2.5+I×0.027×14.63。
MotionChip AD口的模拟量输入电压为0~5V，所以电流采样经量化的值为：
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应用
加氢反应器超声检测成像系统是一套适用于现场检测的加氢反应器堆焊层剥离超声检测成像系统，实现加氢反应器堆焊层层间剥离的在役半自动超声扫查，检测数据的自动存储、分析与评判，同时该系统对不同直径的加氢反应器有一定的适用性。
加氢反应器剥离成像系统的控制系统本质上是一个二维的运动控制平台，从系统要求的性能指标来看，控制系统需要满足如下指标：
·水平扫查速度可达6mm/s无级可调；垂直扫查速度达300mm/s无级可调；
·能够实现粗扫查和精密扫查，对指定的区域实现精密扫查；
·系统的控制方式分为手动/自动，两者之间可以切换；
·X轴（水平）和Y轴（垂直）2个方向上的运动误差≤±1mm。
系统硬件设计
由此选择了上述设计的运动控制系统，具有体积小，性能高，控制简单，价格低，但是每个只能控制一个电机。若要两台电机协同控制，则须通过RS485总线将其连接起来。控制系统的总体结构如图4所示。X向电机用来控制丝杠的运动：选用EC-max32，无刷70W+减速器为行星轮减速箱（速比为23，型号为GP 32C）+码盘（三通道500线）。Y方向电机用来控制探头的运动，采用RE-32，有刷80W+减速器为行星轮减速箱，型号为GP42C（速比为33）+码盘（三通道500线）。图5示出硬件连接图。
系统软件设计
控制系统的软件是基于Vc++和MotionChip的动态链接库设计的，软件主要完成对探头位置的运动控制，如图6。
用户操作界面功能有：
·参数设置与显示模块主要是设置一些系统参数（如扫查长度，探测宽度）和控制参数（如速度参数、加速度参数等）；
·任何时刻，控制程序都时刻监视系统的运行状况，随时对系统故障做出相应的处理。
软件部分包括X向运动和Y向的扫查运动，数据存储及处理，手动控制，故障处理，运动状态显示及故障显示等。操作界面（GUI）给予清晰、简单的用户界面，方便用户调试、运行，同时能够将伺服驱动器传递过来的信息显示出来，便于监控。任务编程模块将要实现控制任务的规划，如X轴向和Y轴向运动等，包括故障查询、处理。
运行效果
智能伺服驱动器性能的好坏直接决定整个系统设计的成败，为此用一直流电机对驱动器进行测试，电机的电流和位置误差如图7（a）、（b）所示，从图7中可以看出，驱动器的响应时间只有0.12s，位置误差很小。通过对通讯速度及上位机控制命令的测试显示，在实时性要求不是非常严格的情况下，以RS232串口或者485串口的通讯速率是完全可以满足系统需求的。
结语
本文基于一类新颖的专用伺服控制芯片Motionchip，进行了伺服控制器设计和实践研究，并设计了一个功能较为完善的直流无刷伺服驱动器的原型。将该控制器运用到加氢反应器超声检测成像系统中对二维的运动进行控制，保证了整个系统取得良好的性能。Motionchip这种多功能专用的运动控制芯片不仅简化了整个系统的设计过程，而且具有很好的开放性和网络性，对中小型项目是非常理想的设计方案。
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